邢丹丹，吴菲菲，王 睿，朱 杰，高雪峰

(1. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215123)(2. 中国科学技术大学 纳米技术与纳米仿生学院，安徽 合肥 230026)

1 前 言

冷凝是一种最常见的高效能量输运方式，被广泛用于发电、海水淡化、环境温湿度控制、热管理等诸多工业领域[1]。众所周知，冷凝传质传热技术的创新将有助于设计开发高性能微型相变热控器件[2-5]，继而有助于解决便携式电子器件、功率电子器件、纯电驱动机车等高新技术发展过程中面临的小尺度空间高热流密度散热技术瓶颈。冷凝是蒸汽受冷却或在升压条件下放出潜热形成液相的过程。蒸汽冷凝时会放出热量，即汽化热[1]。金属材料由于自身表面能较高或氧化层的存在，冷凝液在其表面通常会形成一层连续液膜。连续液膜热阻较大，如水的热导率仅为金属的几百分之一，其在金属材料表面的驻留不利于相变热能的高效输运。20世纪30年代，Schmidt等[6]发现：金属表面通过疏水化修饰，冷凝传热系数可提高5～7倍。相比于亲水表面连续液膜，疏水表面离散液滴不仅自身热阻较低，而且可以动态更新，不断释放更多裸露位点用于冷凝相变热能的输运[7]。然而，传统疏水表面上的冷凝液滴必须生长到毫米量级才能在重力作用下驱离，这种大尺寸液滴不仅自身热阻较大，而且更新频率较慢，不利于冷凝高效传热[8-20]。此外，这种依赖重力驱离的滴状冷凝传质方式也无法用于厚度仅毫米量级的新型微型相变热控器件的设计开发。因此，如何开发更有效的冷凝传质传热技术在近年来引起了学术界和产业界的极大兴趣[17-19]。

纳米仿生研究为新型冷凝传质传热界面的设计开发提供了新思路[18-20]。据报道，蝉翼表面具有湿气自清洁功能，密排列纳米锥阵列结构及疏水蜡质层的协同作用可实现冷凝微液滴融合自弹射去除[21]；非洲纳米布沙漠甲虫具有独特的水收集能力，其背部的亲水微区能捕获空气中的悬浮微滴，这些水滴随后能够不断吸附长大并通过疏水通道输送到口器[22]；猪笼草口缘表面的多级楔形盲孔阵列结构所产生的泰勒毛细升力可增强液体的铺展能力，在潮湿环境下呈超润滑状态，加速了液滴的输运[23, 24]。受上述生物灵感启发，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所高雪峰研究员团队在铜材表面原位构筑了密排列氧化锌纳米针，经疏水修饰后可实现小尺度冷凝微液滴高效自弹射去除，其冷凝传热效率相比于光滑疏水铜表面最大可提升320%[13]；香港科技大学姚舒怀教授团队受非洲沙漠甲虫亲疏水复合界面的启发，在硅表面构筑了超疏水硅纳米草并嵌入顶端具有亲水氧化硅膜层的图案化硅微柱阵列，其冷凝传热系数相比光滑疏水表面可提升63%[14]；美国麻省理工学院Evelyn Wang教授团队受猪笼草启发，在铜管表面原位生长氧化铜纳米片并注入氟化油形成超润滑表面，其水汽滴状冷凝传热系数相比于光滑疏水表面最大可提升100%[15, 16]。

为了进一步推进仿生冷凝传质传热界面材料的发展，总结该领域最新进展并展望其后续发展所面临的机遇与挑战是非常有必要的。基于此目的，本综述简要介绍仿蝉翼超疏水冷凝传热界面、仿沙漠甲虫亲疏水复合冷凝传热界面以及仿猪笼草超润滑冷凝传热界面的最新进展，重点探讨这3种仿生界面的优缺点，为后续设计开发有应用前景的冷凝传热仿生界面指明方向。

2 仿蝉翼冷凝传热界面

众所周知，向自然学习已成为功能材料开发最直接有效的手段之一[18-20]。如图1a所示，蝉翼表面有一层密排列的锥形纳米乳突阵列结构，这种构型能够避免水汽侵入[25, 26]，形成的冷凝微滴能通过相互融合自弹射去除(如图1b)[21]。这种非凡的生物结构和功能为解决金属表面小尺度冷凝微滴可控去除及热能高效输运问题提供了一种有效的技术解决方案[19]。为模拟这种生物功能，作者团队基于阳极氧化铝模板辅助的纳米压印技术实现了类蝉翼锥形纳米乳突阵列结构的可控制备[27]。研究发现，纳米乳突顶部尖锐化的控制是确保冷凝微滴自弹射去除的关键[28]。受此启发，作者团队进一步提出并证明了在材料表面原位生长密排列纳米针可以实现冷凝微滴自弹射去除[29]。以氧化锌纳米针为例(如图1c)，在氟硅烷疏水修饰后，该表面展现出理想的冷凝微滴自弹射去除功能(如图1d)，冷凝液滴的驱离尺寸可以从毫米量级降至微米量级，直径小于10 μm的冷凝微滴占80%以上。图1e和图1f给出了等直径液滴不断长大、相互融合自弹射去除的简化模型图。图1g和图1h给出了固液分离过程的微观示意图，固液界面粘附引起的能量耗散主要由固液范德瓦尔斯力和线张力来决定。原理上，冷凝液滴自弹射去除的驱动能(Ek)来源于其自身融合释放的微弱表面能(Es)；能量耗散主要由液滴融合过程中的内部粘性流动(Evis)以及界面粘附(Eint)决定；Es与Evis由水滴的自身体积及物理特性决定，而Eint则由固液界面相互作用决定。以两个等直径10 μm的冷凝微滴相互融合为例，通过计算可得知：Es≈1×10-11J、Evis≈6×10-12J[29]。换言之，要确保冷凝微滴通过相互融合能自弹射去除，Eint必须低于4×10-12J[29]，而氧化锌纳米针的界面粘附引起的能量耗散Eint≈3×10-13J[29]，因此，有多余的能量可用于冷凝微滴自弹射去除[29-32]。很显然，受生物灵感启发，原位构筑超疏水密排列针锥阵列结构以最大限度减少固液界面粘附是确保冷凝微滴利用自身融合释放的微弱表面能实现自弹射去除的关键[29]。在此基础上，作者团队进一步提出了冷凝微滴自弹射去除仿生界面构筑单元的设计三原则：① 特征间距尽可能小以避免水汽的侵入；② 采用离散的凸起形貌以最小化固液界面粘附；③ 有一定高度或深度以防止悬浮液桥坍塌[19]。除类蝉翼密排列针锥阵列结构外，其他符合上述设计原则的构型也都可以实现冷凝微滴融合自弹射去除，如纳米刺管[33]、纳米棒孔复合结构[34, 35]、纳米粒子多孔结构[36]以及分级结构[37-43]。需要指出的是，相比于其他人工构型，仿生密排列针锥构型原理上可实现小尺度冷凝微滴更高密度自更新，在强化冷凝传热方面更具优势。

图1 蝉翼及其表面原子力显微镜(AFM)照片(a)[21]；蝉翼表面冷凝液滴相互融合自弹射去除(b)[21]；密排列氧化锌纳米针SEM正视照片与侧视照片(c)；纳米针表面冷凝液滴相互融合自去除的光学照片(d)；纳米针表面冷凝液滴相互融合自弹射去除原理示意图(e～h)；图1c～1h引自文献[29]Fig.1 A cicada and AFM image of its wing (a)[21]; Coalescence-induced self-jumping of condensate microdrops on the wing (b)[21]; SEM top-view and side-view of closely-packed nanoneedles(c); Coalescence-induced self-jumping of condensate microdrops on the surface of superhydrophobic nanoneedles (d); Schematics for explaining condensate microdrop self-jumping mechanism (e～h); Fig.1c～1h cite ref.[29]

基于超疏水界面强化冷凝传热的研究已取得零星突破，但冷凝传热性能的增强效果仍不够理想，如何设计开发高效冷凝传热界面是当前学术界和产业界关注的焦点。最近，作者团队提出并证实，在金属材料表面原位构筑仿生密排列纳米针构型可以实现小尺度冷凝微滴高密度自更新，大幅度提升冷凝传热效率[13]。以氧化锌纳米针为例，铜材表面先电镀锌层再湿化学晶体生长就可以原位构筑一层密排列的纳米针阵列结构，如图2a所示。为了理解纳米针几何参数对仿生超疏水表面冷凝传质传热的影响规律，作者团队调控氧化锌纳米晶生长时间，制备了4种纳米样品，所形成的纳米针呈现出随着生长时间增加，高度及尖端直径逐渐增加，而特征间距逐渐减小的趋势。表面浸润性测试表明：这4种纳米样品在大气环境下都呈现低粘超疏水及冷凝微滴融合自弹射去除功能。然而，它们的冷凝传热性能却随生长时间的增加呈现出先增加后减小的变化趋势；生长时间为30 min的纳米样品传热性能最优，相比于疏水的光滑铜空白样品，其冷凝传热系数的增强因子高达320%(如图2b)。显然，要想实现气液相变热能高效输运，仅赋予材料表面超疏水性能还不够，纳米结构及几何参数的协同也是非常关键的。

为了更好地理解纳米针几何参数的变化对超疏水表面冷凝传热效果的影响规律，作者团队对纳米样品表面冷凝动力学行为进行了考察[13]。相比于光滑疏水铜表面冷凝液滴需生长到毫米量级才能靠重力滑离，上述4种纳米样品表面的冷凝液滴均能在微米量级通过液滴相互融合实现自去除。然而，4种纳米样品在相同蒸汽冷凝条件下的冷凝传质能力截然不同，如图2c～2f所示。显然，生长时间为30 min的纳米样品具有最佳的小尺度冷凝微滴自更新能力。定量的统计分析显示，随氧化锌纳米针生长时间的延长，其表面冷凝液滴的平均直径先减小后增加，而驻留密度和更新频率先增加后减小。30 min纳米样品表面冷凝液滴的驻留密度和初始成核密度最大，冷凝液滴驱离直径最小，更新频率最高。

为了揭示密排列纳米针几何参数影响冷凝传质传热的调控规律，给出了如图2g～2j所示的简化模型图。图2g显示了具有冷凝微滴融合自弹射去除功能的纳米针阵列结构模型图，右侧插图分别给出了纳米针特征间距(p)、高度(h)以及直径(d)这3个物理参量。为了简化分析以及更好地理解纳米针几何参数的变化对冷凝传质传热的影响，图2h～2j分别给出了仅增加纳米针高度、仅增加纳米针尖端直径以及仅减小纳米针特征间距的模型示意图(对照模型图2g，另两个物理参量保持不变)。首先，纳米针高度增加意味着功能纳米膜层的附加热阻(Rf)增加，这对强化传热是不利的(如图2h)。其次，纳米针尖端直径的增加必然会增强固液界面粘附，从而导致冷凝微滴驱离直径(Dw)的增加(如图2i)。冷凝液滴驱离直径的增加不仅会增大冷凝微滴自身热阻，而且会同时降低冷凝液滴的初始成核密度及其更新频率，这些都不利于强化冷凝传热。如图2j所示，减小纳米针的特征间距不仅有利于形成较短的水桥和尺寸相对较小的离散冷凝微滴，而且可以提供更多的成核位点；冷凝液滴密度(ρw)的增加可提高液滴融合几率，进一步减小液滴驱离直径。因此，减小纳米针特征间距有利于强化冷凝传热。图2k进一步给出了纳米针3个几何参数随时间的变化趋势及对冷凝传热贡献的变化趋势。随纳米针生长时间延长，其高度及尖端直径会逐渐增加而间距会逐渐减小；如前所述，高度及尖端直径的增加会降低冷凝传热效率，而特征间距的减小会增强冷凝传热效率；因此，通过调控纳米针生长时间可以获得冷凝传热性能最优的纳米样品，这就是纳米样品冷凝传热效率先增加后减小的原因。需要指出的是：相比于30 min纳米样品，60 min纳米样品的纳米针高度和尖端直径分别增加了约38%和30%，而特征间距仅减小了8.6%，因此，由于纳米针高度及尖端直径增加所引起冷凝传热效率的降低值要高于因特征间距轻微减小所引起冷凝传热效率的增加值，这就是60 min纳米样品冷凝传热效率低于30 min纳米样品的原因。换言之，30 min纳米样品因特征间距足够小而尖端直径及高度不太大，其冷凝传热系数净增加值达到最大，几何参数协同效应最优[13]。

图2 密排列准直氧化锌纳米针SEM正视照片(左图)与侧视照片(右图)，插图分别显示了水滴接触角与纳米针尖形貌(a)；对应不同生长时间纳米针样品与光滑疏水铜(虚线显示)冷凝传热系数的对比(b)；不同生长时间纳米针样品表面冷凝传质光学照片(c～f)；简化模型图分别揭示了纳米针高度增加、针尖直径增加及间距减小对冷凝传质传热的影响(g～j)；纳米针几何参数的调控及其对冷凝传热的贡献随纳米针生长时间的变化趋势，冷凝传热效率可通过反应时间优化(k)[13]Fig.2 SEM top-view and side-view images of closely-packed aligned ZnO nanoneedles, insets show superhydrophobicity and single nanotips, respectively (a); Histogram of condensate heat transfer (CHT) coefficients of nanosamples with varied growth time, as compared to that of hydrophobic flat copper surface (b); Condensation dynamics on the surface of nanosamples with varied growth time (c～f); Simplified models for explaining the influence of increased height (h), increased nanotip diameter (d) and reduced interspace (p) to condensation mass and heat transfer (g～j); Predicted variation trend of geometric parameters of nanoneedles with growth time and their contribution to CHT. Clearly, CHT efficiency can be optimized by regulating growth time of nanoneedles (k)[13]

除了仿生密排列纳米针构型，其他超疏水人工界面也被设计用于强化冷凝传热探索。2012年，美国麻省理工学院Evelyn Wang教授团队在铜管表面原位构筑了超疏水刀锋状氧化铜纳米片，其冷凝传热效率比光滑疏水铜表面提升了30%，如图3a所示[8]；2015年，作者团队在铜材表面原位构筑了超疏水超薄镍纳米锥和氢氧化铜棱槽纳米针，冷凝传热效率分别提升了89%(如图3b)[9]和125%(如图3c)[10]；2016年，西安科技大学屈孟男教授团队在铜材表面原位构筑了超疏水氧化锌纳米铅笔阵列结构，其冷凝传热效率相比光滑疏水铜表面提升了140%(如图3d)[11]；2017年，美国科罗拉多大学Ronggui Yang教授团队在铜材表面原位制备了超疏水铜纳米线阵列结构，其冷凝传热效率可提升100%(如图3e)[12]。显然，仅从冷凝传热增强效果来看，仿生密排列准直纳米针结构比其他人工界面更有优势。原理上，氧化铜纳米片由于其内在的固液“线接触”方式，固液界面粘附必然会高于密排列准直纳米针构型。因此，纳米片构型对高效冷凝传热界面开发而言仍不够理想[44]。准直排列的纳米线和纳米针只要间距、高度以及尖端直径相同，其冷凝传热的增强效果理论上应该类似。然而，纳米线的机械稳定性要低于纳米针，在毛细作用下易团聚[45, 46]。尽管纳米针、纳米锥、纳米铅笔这3种构型相比纳米线有更好的力学强度从而阻止团聚[43, 47, 48]，同时都具有极低的固液界面粘附和冷凝微滴融合自弹射去除功能[9-11, 13]，但密排列准直纳米针构型在实现小尺度冷凝微滴高密度自更新方面更有优势，是构建高效冷凝传热界面更为理想的构型。尽管以密排列氧化锌纳米针为例从概念上验证了这种仿生构型在高效冷凝传热上的优势，但如何获得真正有应用前景的金属密排列纳米针阵列结构及其低成本大面积纳米制备技术仍将是今后亟待解决的挑战。

图3 各种超疏水纳米结构SEM照片：(a)刀锋状氧化铜纳米片[8]，(b)镍纳米锥[9]，(c)氢氧化铜棱槽纳米锥[10]，(d)氧化锌纳米铅笔[11]，(e)铜纳米线[12]；每张图右上角数字显示了各自构型相比光滑疏水铜冷凝传热性能的强化效果Fig.3 SEM images of various superhydrophobic nanostructures for enhancing CHT: (a) blade-like CuO nanosheets[8], (b) Ni nanocones[9], (c) clustered Cu(OH)2 ribbed-nanoneedles[10], (d) ZnO nanopencils[11] and (e) copper nanowires[12]; numbers denoted on the top right corner of each panels show CHT enhancement effects of respective nanostructure as compared to hydrophobic flat copper surface

3 仿沙漠甲虫冷凝传热界面

虽然在金属表面原位构筑仿蝉翼超疏水密排列针锥结构可以实现小尺度冷凝微滴的可控去除，大幅度提升冷凝传热效率，但这种单一超疏水功能界面自身也有一些缺点，比如：表面疏水化修饰有利于减少固液界面粘附，确保冷凝微滴利用自身融合释放的微弱表面能实现自弹射去除，但表面能的降低却会不可避免地导致冷凝微滴成核能垒的增加；超疏水界面冷凝微滴的随机分布也不利于其高效融合及自更新，这些因素显然对强化冷凝传热不利[14]。如何协同控制表面结构和表面化学来降低冷凝液滴成核能垒并同时增加液滴成核密度，以实现小尺度冷凝微滴更高效去除，是新型冷凝传热界面设计开发亟待解决的挑战。2001年，英国牛津大学Parker教授团队报道了纳米布沙漠甲虫(如图4a)独特的水收集功能是源于其背部特殊的亲疏水复合界面[22]。这种甲虫背部有许多毫米量级的突起，突起顶部呈光滑亲水特性，可有效捕获空气中的雾滴；而突起的侧面和底部覆盖有规则六方排列的蜡质扁平半球，呈超疏水特性，可确保收集的水滴生长到一定尺寸后从峰顶快速滚落并输运至甲虫口器。受此启发，香港科技大学姚舒怀教授团队设计制备了如图4b所示的可实现冷凝高效传质传热的亲疏水复合界面，在一个界面上实现了膜状冷凝和滴状冷凝两种模式的无缝结合[14]。如图4c所示，基于光刻、选择性刻蚀和表面化学修饰技术的巧妙结合，该团队在硅表面构筑了嵌有规则微米柱的纳米针阵列结构，微米柱顶部有氧化硅膜层而呈亲水特性，微米柱侧壁和纳米针表面通过低表面能化学修饰而呈疏水特性。冷凝动力学研究表明：冷凝液会在微柱顶部亲水微区择优成核、快速生长并完全铺展形成薄液膜(如图4d)；随时间的延长，冷凝液先以恒接触线模式生长，当转变成球形液滴后则按恒接触角模式生长(如图4e)；这些长大的冷凝液滴随后相互融合并利用自身释放的过剩表面能实现自弹射去除(如图4f)。蒸汽工况下的传质传热性能测试进一步表明：相比于光滑疏水表面典型的重力驱离冷凝模式(如图4g)，基于纳米针的单一超疏水功能表面(如图4h)和亲疏水复合表面(如图4i)都展现出小尺度冷凝微滴高密度自更新的能力，但后者传质性能更为优异；有趣的是，亲疏水复合界面的冷凝传热系数比光滑疏水表面可提升63%，但单一超疏水纳米针界面的冷凝传热系数相比光滑疏水表面却降低了36%，如图4j所示。需要特别指出的是，姚舒怀教授团队所采用的硅基体厚度为525 μm，热阻过大，这很可能是亲疏水复合表面传热效率增加不多而单一超疏水表面冷凝传热性能反而恶化的原因[14]。因此，如何设计开发冷凝传热性能更卓越的亲疏水复合界面将是本领域未来重点攻克的方向之一。

图4 纳米布沙漠甲虫光学照片(a)[22]；受沙漠甲虫灵感启发设计的新型亲疏水复合界面模型图，可同时兼顾膜状冷凝与滴状冷凝优势(b)；嵌入微米柱图案的超疏水硅纳米针SEM照片，微米柱上表面有亲水氧化硅膜层，插图显示了水滴接触角(c)；亲水微区冷凝液成核、生长及铺展过程光学照片(d)；亲水微区液膜转变为球状液滴ESEM照片(e)；球状液滴相互融合自弹射去除光学照片(f)；光学照片分别显示了光滑疏水表面、超疏水纳米针表面以及复合亲水微区超疏水纳米针表面典型的冷凝传质(g～i)；它们的传热数据如(j)所示；图(b～j)引自文献[14]Fig.4 Photograph of desert beetle Stenocara (a)[22]； Bio-inspired hybrid surface with seamless integration of filmwise and dropwise condensation modes (b)； SEM image of the hybrid nanostructured silicon surface consisting of arrayed micropillars capped with hydrophilic silicon oxide film and surrounding superhydrophobic nanoneedles (c)； Optical snapshots showing filmwise condensation dynamics on the hydrophilic tops (d)； ESEM images showing condensation transition from the filmwise mode to the dropwise (e); Optical snapshots showing coalescence-induced self-removal of spherical condensate microdrops (f); Optical images showing condensation mass transfer characteristics on the hydrophobic flat surface, superhydrophobic nanoneedles and hybrid surface, respectively (g～i); Recorded CHT data (j); Fig. 4b～4j cite ref.[14]

4 仿猪笼草冷凝传热界面

据报道，猪笼草口缘区在潮湿环境下具有优异的湿滑特性，昆虫很难驻足在口缘区，常会“失足”滑落至笼内而被捕食(如图5a)，这种非凡的特性归因于其表面分布的各向异性微纳结构及储存的润滑水膜[23, 24]。受此启发，美国麻省理工学院Evelyn Wang教授团队设计开发了一种灌注润滑液的仿生湿滑多孔表面并证实其具有优异的冷凝传质传热性能[15, 16]。这种仿生表面的制备工艺如下：首先，通过热碱氧化法在铜管表面原位生长一层刀锋状氧化铜纳米片阵列结构(如图5b)；随后，采用氧等离子体处理并采用气相法修饰单层氟硅烷分子，进一步降低纳米片多孔结构的表面能；最后，灌注氟化油润滑剂至多孔结构内部，确保润滑剂完全铺展(如图5c)。该团队的热学测试表明，当控制冷凝腔内初始泵吸压力为30 Pa时，仿生超润滑表面和光滑疏水表面都呈现出典型的滴状冷凝模式，但前者传质能力更强，其水汽冷凝传热系数可比光滑疏水表面提升100%[15]。当初始泵吸压力降至1 Pa以内，仿生超润滑表面水汽冷凝传热系数可比光滑疏水表面提升30%、比未处理的亲水表面提升400%；仿生超润滑表面甲苯工质的冷凝传热系数相比光滑疏水表面及未处理的亲水表面均提升450%[16]。需要指出的是，对甲苯有机工质而言，冷凝液在光滑疏水表面及未处理的亲水表面都以连续的液膜形式存在，而在仿生超润滑表面则以离散的液滴形式存在。仿生超润滑表面与仿生超疏水及亲疏水复合界面相比，在强化水工质冷凝传热方面并不占优势，但在强化有机工质冷凝传热方面具有独特的优势。

需要指出的是，仿生超疏水界面强化冷凝传热的关键在于如何避免水汽侵入纳米结构缝隙并最大限度地减少固液界面粘附，确保冷凝微滴可以利用自身融合释放的微弱表面能实现自弹射去除，因此对超疏水构筑单元的设计提出了非常苛刻的要求[19]。相较而言，仿生超润滑表面的构筑要求及制备工艺相对简单，只要有粗糙的多孔结构满足润滑液的限域即可[49]。由于低表面能润滑液可以形成分子尺度光滑且化学均相的表面，不同表面张力的冷凝液在其表面均可形成离散的液滴，且冷凝液滴接触角滞后较小，在表面很容易滑离，有助于强化冷凝传质传热[15, 16, 50, 51]。研究表明，有机工质的表面张力远低于水，水工质冷凝液在仿生超疏水及超润滑表面都可以实现滴状冷凝，但有机工质滴状冷凝传热模式迄今只能在仿生超润滑表面实现，无法在超疏水表面形成[16]。此外，Evelyn Wang教授团队在实验中还发现，润滑油会因为自身挥发以及冷凝液滴的滑离夹带而逐渐流失，导致表面滴状冷凝传热模式逐渐转变为膜状冷凝传热模式(如图5d)[15, 16]。伴随冷凝传热模式的转变，冷凝传热效率降低78%[16]。不可否认，通过多孔结构的精心设计和润滑油的优化设计，增强润滑油在多孔结构内部的限域能力以缓解润滑油的流失在未来是有可能实现的，但要做到完全消除也很难。因此，超润滑表面独特的湿滑性质未来有希望用于防霜、抗结冰、防玷污等[52, 53]可不定期补偿润滑油的体系，但这种技术不太可能用于相变热控器件及电子散热。

图5 猪笼草口缘光学照片(a)[24]；灌注氟化油前后的氧化铜纳米片SEM正视照片(b, c)[15]；超润滑表面的滴状冷凝随时间延长而失效的光学照片(d)[16]Fig.5 Optical image of a pitcher plant with its peristome (a)[24]; SEM images of blade-like CuO nanosheets before and after infusing lubricant (b, c)[15]; Time-lapse optical images showing gradual transition from the dropwise condensation to the filmwise (d)[16]

5 结 语

本文简要回顾了高效冷凝传热界面材料设计开发的3种仿生策略及其最新研究进展，主要包括仿蝉翼超疏水表面、仿沙漠甲虫亲疏水复合表面与仿猪笼草超润滑表面强化传质传热的基本原理、表面微纳结构设计制备与性能调控，以及其优缺点分析。简言之，仿生超润滑表面因其自身易失稳而不太可能用于电子散热及相变热控器件[16]；仿蝉翼超疏水策略已报道可用于相变热控器件[2-5]，但其构效关系及实用化器件仍有待深入研究；相比于仿蝉翼超疏水表面，引入亲水微区将有助于实现小尺度冷凝微滴高密度自更新及热能高效输运，这种受沙漠甲虫灵感启发的亲疏水复合界面必将成为今后研究重点。到目前为止，仿生冷凝传热界面材料研究尚处于起步阶段，现有研究几乎都是概念验证，下一步如何设计开发有应用前景的仿生功能金属材料将是未来的研究重点。伴随着金属微纳加工及其表面修饰技术的进步，仿生冷凝传热界面材料将有助于研制新型微型相变热控器件，以解决便携式电子器件、功率电子器件、纯电驱动机车等高新技术发展过程中面临的小尺度空间高热流密度散热技术瓶颈。